本发明涉及化工领域，特别是一种中低温的半纤维素抽提方法。
背景技术：
半纤维素是一类复合聚糖的总称，其在植物资源中的含量仅次于纤维素，是一种可部分替代石化工业产品的可再生资源。不同原料中所含半纤维素的组分不同。如针叶木半纤维素以聚甘露糖为主，含有一定量的聚木糖；阔叶木半纤维素以聚木糖为主，含有少量的聚甘露糖；禾本科植物半纤维素主要是聚木糖，不同原料同种聚糖的支链往往也千差万别。
植物纤维原料是制浆造纸工业的原材料。在植物原料传统碱法制浆过程中，半纤维素在高温高压碱性蒸煮初期会大量溶出进入蒸煮液中，形成一系列有机酸，消耗蒸煮液。此外，黑液中含有大量半纤维素的会增加黑液的粘度，不利于黑液蒸发，导致蒸发器结垢，影响使用效果和使用寿命。随着生物质精炼技术在制浆造纸领域的应用及推广，将植物纤维原料中的半纤维素在制浆前分离出来，使其具有更高的应用价值，已成为上述传统和新型领域的研究热点。然而，在植物细胞壁中，半纤维素与木质素之间有化学键的连接（通常是α-苯醚键），与乙酰基和羟基肉桂酸形成酯键，纤维素和半纤维素之间虽然没有化学键的连接，但它们之间结合紧密，导致半纤维素的分离比较困难和复杂。因此，现有技术中很难有方法能够得到不含其他组分的高纯度半纤维素，而且在分离过程中半纤维素还伴有不同程度的降解。
中低温碱抽提（20～80℃）是常用的一种半纤维素的分离方法，通常采用氢氧化钠、氢氧化钾等作为碱液，同时也会加入少量助剂（亚氯酸钠、硼酸或过氧化氢等）。然而传统的碱抽提方法中，所用碱液浓度较高（10%～15%），抽提时间较长（4～8h），抽提液中半纤维素产品有所降解，难以从碱液中分离提纯，得率低。
技术实现要素：
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种中低温的半纤维素抽提方法，可有效解决提高半纤维素提取分离效率，缩短抽提时间、节约成本，提高产品质量和产量的问题。
本发明解决的技术方案是提供一种中低温的半纤维素抽提方法，包括以下步骤：
（1）原料处理：将植物纤维原料切制成段或片，用水清洗干净，去除灰尘和杂质，风干；
所述原料为植物纤维的麦秸、玉米秆、蔗渣、稻草或木材；
（2）脱脂：采用苯醇溶液对原料进行脱脂6h，除去原料中的脂类物质，得到脱脂的原料；
所述苯醇溶液是由甲苯与乙醇以体积比2︰1混匀制成；
（3）超声波辅助碱抽提：将脱脂原料加入碱液中，升温至40-80℃，开启超声反应装置，超声反应装置的频率为20-40kHz，功率为300W-1000W，进行半纤维素提取反应3-6h，关闭超声装置，收集半纤维素提取液，残余固形物用于后续碱法蒸煮；
所述脱脂原料与所述碱液的固液质量比为1︰4-10；所述碱液为氢氧化钠溶液，是由氢氧化钠固体溶解于水中制成，氢氧化钠固体与占所述碱液的重量比为5%~15%；
（4）半纤维素分离、纯化和测定：将半纤维素提取液过200目滤网，得滤液，滤液经再经孔径为1000～6000Da超滤膜进行浓缩，浓缩液质量浓度为10～20%，然后用6mol/L的HCl溶液调节浓缩液pH为5.5，然后加入3倍于浓缩液体积、质量浓度95%乙醇，室温下静置6-8h，在2000r/min下离心，得沉淀，沉淀用质量浓度70%乙醇洗涤，然后用去离子水洗涤沉淀至中性，冷冻干燥，得半纤维素。
本发明方法科学合理，易操作，生产效率高，使用效果好，由于抽提温度较低，操作简单易行，可提高抽提半纤维素的得率及纯度，超声波是一种频率高于20kHz的声波，具有机械效应、空化效应和热效应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿透力以提取生物的有效成分。合理利用超声波振动的方法进行提取的新工艺可使溶剂快速地进入固体物质中，将其物质所含的有机成分尽可能完全的溶于溶剂之中。利用超声波技术强化提取分离过程，可有效提高半纤维素提取分离效率，缩短抽提时间、节约成本，提高产品质量和产量，是半纤维素提取上的一大创新，经济和社会效益显著。
具体实施方式
以下结合实施例和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
麦秸的化学组分为：综纤维素含量71.23%,其中总纤维素中的半纤维素（聚戊糖）含量占秸秆化学组分的23.29%；总木素含量22.96%；
本发明在具体实施中，包括以下步骤：
（1）原料处理：将麦秸切制成长1cm，用水清洗干净，去除灰尘和杂质，风干；
（2）脱脂：将处理风干后的麦秸用苯醇溶液进行脱脂6h，反应温度50℃，麦秸与苯醇溶液的固液比1︰10，除去原料中的脂类物质，风干，得到脱脂的麦秸；
所述的苯醇溶液是由甲苯与乙醇以体积比2︰1混匀制成；
（3）超声波辅助碱抽提：将脱脂麦秸200g加入碱液，当麦秸与碱液的固液比为1︰5，所述碱液中氢氧化钠固体含量为10%，温度70℃；开启超声反应装置，超声反应装置的频率为35kHz，功率为500W，间隙作用，进行半纤维素提取反应4h，关闭超声装置，收集半纤维素提取液，残余固形物用于后续碱法蒸煮；
（4）半纤维素分离、纯化和测定：将半纤维素提取液过200目滤网，得滤液，滤液经再经孔径为1000～6000Da超滤膜进行浓缩，浓缩液质量浓度为10～20%，然后用6mol/L的HCl溶液调节浓缩液pH为5.5，然后加入3倍于浓缩液体积、质量浓度95%乙醇，室温下静置6-8h，在2000r/min下离心，得沉淀，沉淀用质量浓度70%乙醇洗涤，然后用去离子水洗涤沉淀至中性，冷冻干燥，得半纤维素。
上述实施例经测试，并与传统方法制备的半纤维素相比，结果如下表：
表1 不同处理工艺对麦草秆半纤维素提取效果影响
注：半纤维素和木素抽提率是原料各组分溶出量对初始绝干原料质量的比值；半纤维素纯度是半纤维素含量与半纤维素和木素总含量的比值；半纤维素实际质量是经超滤，醇沉等纯化后半纤维素实际质量；半纤维素纯化得率是半纤维素实际质量与理论质量的比值。
从表1可以看出，无论是经传统碱抽提处理后还是超声波辅助碱抽提处理后，浆料中的半纤维素均会大量溶出，并伴随少量的木质素溶出。相比传统碱抽提处理，超声波辅助碱抽提处理在碱用量和抽提时间较少以及反应温度较低的前提下，原料中半纤维素溶出较多（14.6%比13.4%），且抽提液中木素等杂质含量较少（4.8%比5.6%），半纤维素纯度高（75.26%比70.53%）。上述结果表明借助超声波机械和空化作用，促进纤维结构打开及碱液的渗透，从而增加了半纤维素与碱液的反应效果，最终促进了半纤维素的溶出，与此同时，由于碱抽提条件较为温和，木素等杂质的溶出减少，有利于后续半纤维素的纯化。此外，对比实际纯化后的半纤维素得率结果可知，经超声辅助处理后，半纤维素纯化后的得率较高（80.22%比85.27%），表明半纤维素的分子量相对较高，使得在后续超滤和醇沉的过程中易于纯化，不易流失。因此，超声波辅助处理不经可降低半纤维素抽提用碱量，抽提时间和反应温度，同时也能提升最终产品的得率、纯度和品质。
实施例2
玉米秆的化学组分分别为：综纤维素含量69.73%，其中总纤维素中的半纤维素（聚戊糖）含量占秸秆化学组分的19.65%；总木素含量17.89%；综纤维素包含半纤维素。
本发明在具体实施中，还可包括以下步骤：
（1）原料处理：将玉米秆除髓，切成2cm×2cm的片段，用水清洗干净，去除灰尘和杂质，风干；
（2）脱脂：将处理风干后的玉米秆用苯醇溶液进行脱脂6h，反应温度50℃，玉米秆与苯醇溶液的固液比1︰10，除去原料中的脂类物质，风干，得到脱脂的玉米秆；
所述的苯醇溶液是由甲苯与乙醇以体积比2︰1混匀制成；
（3）超声波辅助碱抽提：将脱脂绝干玉米秆200g加入碱液，当麦秸与碱液的固液比为1︰5，用碱量8%，温度50℃，开启超声反应装置，超声反应装置的频率为35kHz，功率为500W，间歇作用，进行半纤维素提取反应4h，关闭超声装置，收集半纤维素提取液，残余固形物用于后续碱法蒸煮；
（4）半纤维素分离、纯化和测定：将半纤维素提取液过200目滤网，得滤液，滤液经再经孔径为1000～6000Da超滤膜进行浓缩，浓缩液质量浓度为10～20%，然后用6mol/L的HCl溶液调节浓缩液pH为5.5，然后加入3倍于浓缩液体积、质量浓度95%乙醇，室温下静置6-8h，在2000r/min下离心，得沉淀，沉淀用质量浓度70%乙醇洗涤，然后用去离子水洗涤沉淀至中性，冷冻干燥，得半纤维素。
上述实施例2制备的产品经测试，并与传统方法制备的半纤维素相比，结果如下表：
表2 不同处理工艺对玉米秆半纤维素提取效果影响
注：半纤维素和木素抽提率是原料各组分溶出量对初始绝干原料质量的比值；半纤维素纯度是半纤维素含量与半纤维素和木素总含量的比值；半纤维素实际质量是经超滤，醇沉等纯化后半纤维素实际质量；半纤维素纯化得率是半纤维素实际质量与理论质量的比值。
从表2可以看出，实施例2中玉米杆原料与实施例1中的麦草秆原料，经处理后具有相似的结果：半纤维抽提率由12.53%增至13.89%，木素抽提率由4.98%降至4.32%，半纤维素纯度由71.59%提升至76.28%，半纤维素纯化得率由81.96%提升至86.61%。此外，对比麦草秆处理的反应条件和所得结果还可以发现，玉米秆碱抽提半纤维素相对容易些。上述结果进一步表明采用超声波辅助处理碱抽提工艺，可降低反应过程碱用量和反应温度，同时缩短反应时间，提高碱抽提半纤维素的得率、纯度和品质。较高分子量的半纤维素可以用于后续改性或制备低聚木糖等高附加产品。而纯化后的碱抽提液则可回用至后续碱法蒸煮。并且已脱除大量半纤维的纤维原料其纤维可及性增加，有利于后续碱法蒸煮脱木素，及降低黑液中半纤维素的含量，有利于后续黑液的蒸发和应用。
并经其它植物纤维多次反复试验，均取得了相同和或近似的结果，这里不再一一列举，由试验证明，本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：
本发明采用超声处理与碱抽提共同作用于植物纤维原料，利用超声波的机械效应和空化效应。超声波的空化效应可产生瞬时的高温高压，产生微射流，对纤维原料进行冲击、剥蚀，从而增大碱液与原料的反应界面，使得原料结构松散；此外，由于超声波具有极强的穿透作用，可促进碱液进入原料内部，加速反应速率。该工艺可在常温下进行，反应温度低，减少了高温下非半纤维素物质的溶出，提高了半纤维素的纯度。实验结果表明，该方法具有以下优势：
1、反应条件温和：用碱量少，可节约用碱20%以上，抽提时间短，可节约时间25%，抽提温度降低28%以上，节约能源；
2、半纤维素得率高，纯度高，分子量高；
3、操作简便，节约化学品用量，分离纯化容易，降低成本30%以上，大大减少了环境污染，节能环保，经济和社会效益显著。